УДК 331.45
Электротехнический персонал и опасность энергии, выделяемой при возникновении электрической дуги
Александр Владимирович Рыкунов, руководитель направлений «Комплексная защита сварщика» и «Защита от термических рисков электрической дуги», ПВ ООО «Фирма “Техноавиа”», Москва, Российская Федерация, e-mail: rykunov@technoavia.ru
Ирина Игоревна Клёнышева, бренд-менеджер по направлению «Защита от термических рисков электрической дуги», ПВ ООО «Фирма “Техноавиа”», Москва, Российская Федерация, e-mail: klenisheva.i@technoavia.ru
Александр Вячеславович Пономарев, руководитель развития и продвижения направлений, ООО «Техноавиа-Волга», Нижний Новгород, Российская Федерация, e-mail: ponomarev@volga.technoavia.ru
Аннотация. В статье рассматриваются условия возникновения электрической дуги, сопутствующие ей опасные факторы, а также описываются защитные свойства, классификация и комплектность средств индивидуальной защиты от термических рисков электрической дуги.
Ключевые слова: электрическая дуга; дуговая вспышка; электротехнический персонал; средства индивидуальной защиты; охрана труда; профессиональные риски; спецодежда
Electrical personnel and the danger of energy released during an electric arc
A.V. Rykunov, Head of the «Comprehensive Welder Protection» and «Protection from Thermal Risks of an Electric Arc» departments, Production and implementation limited liability company «Firm Technoavia», Moscow, Russian Federation
I.I. Klenysheva, Brand Manager for the «Protection from Thermal Risks of an Electric Arc» department, Production and implementation limited liability company «Firm Technoavia»,Moscow, Russian Federation
A.V. Ponomarev, Head of Development and Promotion of Departments, LLC «Technoavia-Volga», Nizhny Novgorod, Russian Federation
Abstract. The article discusses the conditions for the occurrence of an electric arc, the hazardous factors associated with it, and describes the protective properties, classification and completeness of personal protective equipment against thermal risks of an electric arc.
Keywords: electric arc; arc flash; electrical personnel; personal protective equipment; labor protection; professional risks; special clothing
Хорошо известно, что работа электротехнического персонала на предприятиях очень разнообразна, и опасности, с которыми сталкиваются сотрудники на рабочем месте, тоже различны. Но есть опасности, которые относятся непосредственно к электротехническому персоналу и связаны с профессиональной деятельностью работников. Перечислим их.
- Электрический токи опасные события:
– удар током и другие травмы, полученные в результате контакта с токоведущими частями, которые находятся под напряжением до 1000 В;
– травмы при контакте с токоведущими частями, которые находятся под напряжением выше 1000 В.
- Шаговое напряжениеи опасное событие – воздействие электрического тока на работника вследствие прохождения тока через ткани и органы.
- Наведенное напряжение в отключенной электрической цепи (электромагнитное воздействие параллельной воздушной электрической линии или электричества, циркулирующего в контактной сети)и опасное событие – поражение током от наведенного напряжения.
- Энергия, выделяемая при возникновении электрической дуги,и опасное событие – ожоги кожных покровов работника вследствие термического воздействия электрической дуги.
Энергия, выделяемая при возникновении электрической дуги, по сути, является вспышкой дуги с образованием термического воздействия на работника. Это событие достаточно редкое, однако влечет за собой серьезные риски для здоровья и жизни. Низкая вероятность того, что данное явление произойдет, может вызывать у работников чувство спокойствия. Оно совершенно непропорционально вполне реальным последствиям аварийной ситуации.
Что такое дуговая вспышка
Вспышка дуги – это взрывное высвобождение энергии электрической дуги, когда электрический ток проходит через ионизированный воздух и меньше чем за секунду возникает столб электрической дуги при замыкании фазы на землю / фазы на фазу.
Как только электрическая дуга установится, энергия преобразуется в основном в тепло и свет в течение миллисекунд. Температура в эпицентре дугового столба может достигать 20 000 °С, что в 4 раза выше температуры на поверхности Солнца.
Многие ошибочно считают, что при возникновении электрической дуги работник в первую очередь получит удар электрическим током. Но на самом деле это неверно. Поражение электрическим током может быть получено вследствие электрического удара при контакте с токоведущими частями электроустановки. Электрические удары подразумевают возбуждение живых тканей организма из-за проходящего через них электрического тока, которое сопровождается сокращением мышц.
Электрическая дуга, в отличие от электрического удара, производит большой выброс тепловой энергии, что может вызвать ожоги кожных покровов и другие увечья. Это происходит потому, что дуга излучает огромное количество тепла, которое может быстро нагреть воздух и различные поверхности близлежащих объектов, вызывая серьезные повреждения.
Как образуется дуговая вспышка
В обычных условиях воздух – хороший изолятор. Для пробоя воздушного промежутка 1 см требуется напряжение 30 кВ. Чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц – свободных электронов и положительных ионов1. Размыкание электрической цепи при значительных токах и напряжениях сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Вследствие этого воздушное пространство около контактов и электрических шин ионизируется и становится токопроводящим. Это может приводить к возникновению электродуги с образованием плазменного столба между токоведущими элементами электроустановки.
Причиной образования электрической дуги могут являться:
– случайный контакт с электрическими системами;
– накопление токопроводящей пыли;
– коррозия;
– падение неизолированных инструментов;
– ошибочные действия персонала (человеческий фактор).
Рис. 1. Компоненты дуговой вспышки
Короткое замыкание и образование плазменного столба электрической дуги сопровождаются многими дополнительными факторами, которые возникают за доли секунды. Температура в эпицентре плазменного столба электрической дуги может достигать высоких значений – до 20 000 °С. Под действием такой температуры происходит расплавление всех компонентов электроустановки – от пластиковых до металлических. При этом металлические предметы могут переходить из твердого состояния в газообразное, что приводит к их сильному увеличению в объеме и последующему образованию сильной ударной волны. Например, медь при переходе из твердого состояния в газообразное увеличивается в объеме примерно в 67 000 раз.
Дополнительно к ударной волне, которая разбрасывает расплавленные и оторвавшиеся детали электроустановки, происходит выброс плазменного теплового потока в сторону окончания токоведущих частей. Этот процесс осуществляется под действием магнитного поля, которое присутствует вокруг токоведущих частей, находящихся под напряжением. Все вышеперечисленные компоненты дуговой вспышки (см. рис. 1) воздействуют непосредственно на работника (см. рис. 2).
Рис. 2. Воздействие компонентов дуговой вспышки на работника в зависимости от направления электродов
Опасные факторы
Сверхвысокие температуры. Это основная опасность, от которой необходимо защитить работника при возникновении ЧП. Высокие температуры воздействуют на кожные покровы. Если работник не защищен термостойким комплектом в соответствии с необходимым уровнем значения электродугового термического воздействия, то он рискует получить серьезные ожоги (от 2-й до 4-й степени), которые могут быть несовместимы с жизнью.
Возгорание спецодежды. Если работник осуществляет задачи не в специализированном костюме, то существует риск возгорания, оплавления одежды от высокой температуры, искр или воздействия открытого пламени на нее. Все это может приводить к обширным и глубоким ожогам кожных покровов, которые потребуют долгого и сложного восстановления.
Ударная волна. Образуется за счет увеличения металла в объеме под воздействием высоких температур и может привести к контузии, временной потере слуха, ушибам и вывихам конечностей.
Брызги расплавленного металла. Под воздействием высоких температур плавятся токоведущие части, в то время как ударная волна с большой скоростью разбрызгивает раскаленный жидкий металл на большой радиус.
Дым и угарный газ. Если взрыв и возгорание произошли в закрытом помещении, то присутствуют следующие опасные и вредные факторы:
– токсичные продукты горения;
– пониженное содержание кислорода;
– снижение видимости в дыму.
Мощная звуковая волна. Взрывы, которые сопутствуют особо мощным вспышкам дуги, оглушают. Фактически они могут достигать громкости 140 дБ. В некоторых случаях это может нанести серьезный ущерб органу слуха тех, кто находится в непосредственной близости к источнику звука.
Слепящий свет. Видимые световые лучи производят ослепляющее действие, но, кроме видимых световых лучей, в спектре дуги имеются еще и невидимые лучи – ультрафиолетовые и инфракрасные (тепловые).
Электрическая дуга и все сопутствующие ей опасные факторы возникают за доли секунды. За это время работнику невозможно оперативно покинуть рабочее место. Именно поэтому очень важно, чтобы он был полностью экипирован в термостойкие СИЗ, которые защитят его от тепловой энергии электрической дуги и дадут ему время безопасно покинуть зону аварии.
Защитные свойства спецодежды
Выбор спецодежды для защиты от воздействия электрической дуги следует осуществлять на основании значения электродугового термического воздействия (далее – ЗЭТВ), полученного в результате расчёта в специализированной программе. ЗЭТВ (arc thermal performance value, ATPV) – это количество падающей энергии, прошедшее сквозь материал или пакет материалов и с 50%-й вероятностью достаточное для возникновения ожоговой травмы второй степени в соответствии с кривой Столл, выражается в калориях на квадратный сантиметр (кал/см2). Уровень защиты спецодежды также указывается в кал/см2 (см. рис. 3).
Рис. 3. Пиктограмма «Защита от термических рисков электрической дуги»
По ГОСТ Р 12.4.234-2012 «Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги. Общие технические требования и методы испытаний» спецодежда, защищающая от термических рисков электрической дуги, подразделяется на 8 уровней защиты:
1-й уровень – не менее 5 кал/см2;
2-й уровень – не менее 10 кал/см2;
3-й уровень – не менее 20 кал/см2;
4-й уровень – не менее 30 кал/см2;
5-й уровень – не менее 40 кал/см2;
6-й уровень – не менее 60 кал/см2;
7-й уровень – не менее 80 кал/см2;
8-й уровень – 100 (±5) кал/см2.
Защитные свойства спецодежды подтверждаются исключительно после испытаний в аккредитованной лаборатории. В России существует только одна лаборатория, которая проводит испытания, подтверждающие защиту от термических рисков электрической дуги.
Для того чтобы определить, какой уровень защиты имеет комплект из нескольких изделий, необходимо совместно испытать их в лаборатории, после чего будет выдан протокол испытаний совместного использования, в котором указан общий уровень защиты. Это значение указывается в маркировке к каждому изделию, входящему в защитный комплект.
Важно отметить, что нельзя определять уровень защиты комплекта из нескольких изделий путем сложения их уровней защиты.
Расчет падающей энергии электрической дуги необходимо проводить на каждом рабочем месте, где присутствует риск возникновения электрической дуги. Основная сложность в том, что в настоящее время для расчетов используются иностранный стандарт IEEE Std 1584 «IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations» или иностранные инженерные программы, основанные на этом стандарте.
Стандарт, в котором представлены методы расчетов, написан сложным техническим языком, с длинными многоступенчатыми формулами, которые требуют хорошего знания темы и языка. Работать с готовыми программами для расчета значительно проще, но при их использовании также не обойтись без знания темы и языка. Кроме того, могут возникнуть сложности с приобретением таких программ.
Самое простое и доступное решение – обратиться в компанию, которая уже имеет специализированную программу для расчетов и опыт в их проведении. Это позволяет получить расчеты бесплатно и в короткий срок. Если компания является производителем средств индивидуальной защиты, то специалисты не только предоставят рекомендации по термостойкой спецодежде, но и подберут все элементы комплексной защиты для электротехнического персонала.
Защищаем персонал комплексно
Одежду для защиты от термических рисков электрической дуги нужно использовать в комплекте с нательным бельем, СИЗ головы, лица, рук, ног. Это обусловлено тем, что все участки тела работника должны быть закрыты во избежание получения серьезных ожогов от образующейся тепловой энергии во время дуговой вспышки.
Материалы для изготовления спецодежды от термических рисков электрической дуги должны быть термостойкими и огнестойкими и иметь постоянные защитные свойства. Постоянство термостойких свойств подразумевает сохранность защитных свойств термостойких материалов и изделий из них на протяжении установленного производителем срока эксплуатации.
Конструкция спецодежды может представлять собой костюм – куртку (или рубашку) и брюки (или полукомбинезон) – или комбинезон. Недопустимо наличие внешних металлических деталей, отлетных кокеток или вентиляционных отверстий.
Полный защитный комплект включает в себя:
– костюм термостойкий (куртка, брюки/полукомбинезон);
– термостойкое нательное белье или х/б нательное белье;
– подшлемник термостойкий;
– перчатки термостойкие;
– каску термостойкую со щитком (с термостойкой окантовкой);
– ботинки / ботинки с высокими берцами / полусапоги / сапоги термостойкие.
Повысить защитное ЗЭТВ костюма можно с помощью дополнительных изделий, таких как куртка-накидка, куртка-рубашка или термостойкое белье, которое будет использоваться в комплекте с костюмом. Полный перечень средств индивидуальной защиты от термических рисков электрической дуги приводится в Единых типовых нормах выдачи СИЗ.
Заключение
Электрическая дуга представляет серьезную опасность для работников в различных отраслях, где используется электричество. Поэтому для подразделений по охране труда многих предприятий является приоритетом обеспечение работников надежными средствами индивидуальной защиты. Это правильно, однако не стоит забывать, что использование СИЗ – не единственный способ.
Существует много методик, позволяющих минимизировать профессиональные риски. К ним можно отнести проведение внеплановых проверок знаний, организацию обучения правильному применению СИЗ, использование специальных датчиков и систем мониторинга, дающих возможность быстро обнаружить источник дуги и автоматически отключить электроустановку. Кроме того, необходимо проверять состояние оборудования, проводить его техническое обслуживание и замену в случае выявления дефектов.
Таким образом, соблюдение мер безопасности, регулярная проверка оборудования и правильное применение СИЗ помогут создать безопасную рабочую среду и избежать возможных происшествий.
Список источников:
- Приказ Министерства труда и социальной защиты РФ от 29 октября 2021 года № 767н «Об утверждении Единых типовых норм выдачи средств индивидуальной защиты и смывающих средств» (приложение № 2, п. 3).
- ГОСТ Р 12.4.234-2012 «Одежда специальная для защиты от термических рисков электрической дуги. Общие технические требования и методы испытаний». – URL: https://dokipedia.ru/document/5260419
- Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 019/2011 «О безопасности средств индивидуальной защиты» (с изменениями на 28 мая 2019 года). – URL: https://docs.cntd.ru/document/902320567
- Родштейн Л.П. Электрические аппараты. Глава 5. Основы теории горения и гашения электрической дуги. – URL: https://www.elec.ru/library/nauchnaya-i-tehnicheskaya-literatura/elektricheskie-apparaty/
- Electrical Arc Flash Hazard Management Guideline, 2019, published by Australia Energy Council (AEC).
- IEEE Std 1584 «IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations», 2018, by The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.
- NFPA 70E, Standard for Electrical Safety in the Workplace, 2018, developed by National Fire Protection Association.
- NFPA70E, arc flash, and safe and efficient thermography practices, by Billings, Atlas Inspections; Art Stout, Electrophysics Corp., available at: https://www.reliableplant.com/Read/4286/nfpa70e-arc-flash-thermography
1 Процесс отделения от нейтральной частицы электронов и образования свободных электронов и положительно заряженных ионов называется ионизацией. Ионизация газа происходит под действием высокой температуры и электрического поля.